市政道路下穿既有高铁桥梁板桩防护技术研究

马海涛

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，河南郑州 450000)

1 概述

近年来，随着城市路网的扩展完善和高速铁路交通系统建设的快速发展，涌现出大量市政道路与高速铁路交叉的工程类型，高速铁路运行对铁路线路竖向、横向变形要求极为严格，道路下穿高铁工程的设计方案应确保高铁运营的安全。在道路下穿高铁桥梁工程中，如何减少新建道路工程对既有高铁桥梁结构的影响为设计的重点和难点，结合郑州107辅道快速化工程下穿高铁桥梁节点设计，对市政道路下穿高铁防护技术进行研究。

2 工程概况

107辅道快速化工程位于郑州市中心城区东部，为城市三环快速路东段，全长约20 km。快速路主线规划为双向八车道，在陇海立交南侧自北向南依次与郑万高铁、郑州至机场城际铁路、郑西贯通线、西南下行联络线、京广客专正线、西北联络线、西南上行联络7条高铁交叉。穿越高铁处道路主线设计为利用既有地面道路拓宽。由于其线位与高铁斜交角度较大，桥墩密集，道路需在众多桥墩间选择合适位置一次完成穿越，道路平面占压承台不可避免，本工程穿越铁路群范围内共占压高铁承台19个(需进行27处承台防护设计)，工程平面示意如图1。

图1 线位下穿高铁平面示意

3 控制性因素分析

对占压高铁承台的防护，一般可采用梁桥形式[8]或板桩结构形式[7]使道路与高铁承台隔离，实现下穿。结构类型的选择需结合道路平纵横设计、既有铁路设备、桥下净空、地质及施工条件等因素综合考虑。

3.1 净空

本工程交叉位置位于高铁线路集中区域，各条高铁桥下净空不一，京广高铁位置处，既有桥梁底至承台顶净距为6.8 m，在保证5.5 m道路通行净空条件下，防护结构可利用空间为1.3 m，如采用梁式桥结构，需采用小跨径板桥，且需设置桥梁支座，因桥下空间狭窄，影响后期支座的维修养护及更换。

3.2 道路与高铁承台平面重叠范围大

道路与多条高铁线路均斜交，斜交角度大，与西南上行联络线斜交达70.8°，行车道平面投影占压高铁承台范围长10.4 m、宽4.67 m。应考虑桥梁结构或板桩结构的桩基施工对高铁桥梁变形的影响。参考相关文献，新建桩基与高铁桩基间净距至少为4倍桩径，新建桩基直径为1 m时，板下桩间最小距离为16 m，桩间距离过大，无法满足常规板桩结构的受力要求。

3.3 地质条件

地勘资料显示，场区内自上而下主要地层为：填筑土，中密-密实，稍湿，主要成分为细砂，厚1.60～8.50 m；素填土，松散或稍密，稍湿，主要成分为细砂及粉土，厚0.50～8.00 m；杂填土，松散，稍湿，主要为粉土，厚0.00～3.50 m；第四系全新统粉土、粉砂及细砂。场区地下水为第四系孔隙潜水，稳定水位为10.0～12.5 m。

3.4 施工条件

(1)桩基施工条件

交叉处京广高铁桥下既有净空6.8 m，无法满足长大桩基施工设备所需的施工空间及安全距离要求，且需考虑施工对高铁桥梁沉降影响。因此，应避免采用大型振动机械设备。

(2)板梁施工条件

路面设计高程与高铁承台间净距最小为1.3 m，扣除结构厚度，结构下方与承台间距离狭小，如采用常规现浇法施工，支架需架设在高铁承台上。施工过程中，结构、支架、模板重量及混凝土浇筑产生的附加荷载皆传递到高铁承台上，可能对高铁的结构稳定及运行安全造成较大影响。

4 高铁承台防护方案

根据现场条件，提出型钢骨架异形板桩固结防护的结构方案。上部结构：采用型钢骨架混凝土板作为行车道直接受力结构。下部结构：针对不同位置采取不同措施，高铁承台处，在满足与既有高铁基桩4倍桩径前提下，围绕承台设置10 m长小型人工挖孔桩基础，板桩固结；在承台上方，板与承台分离，形成空间异形悬臂板结构；既有G107老路基下方设置褥垫层，板设置于褥垫层上方。加宽侧新路基为回填土，在静态压实的基础上，采用树根桩法进行地基加固处理，板桩固结，同时设置碎石垫层。防护方案平面示意见图2。

图2 防护方案平面示意(单位cm)

5 防护结构设计

型钢骨架异形板桩固结防护结构方案中，板桩固结，避免了设置梁桥支座，解决了因空间受限支座无法更换及养护的问题。小型人工挖孔桩解决了桥下净空无法满足长大桩基施工的难题。桩长控制在10 m以内，解决了高铁范围内水位埋藏较浅等问题。

5.1 异形悬臂板设计

在临近承台侧，板与承台分离，板固结支撑在联排桩基上，形成异形悬臂板空间受力体系。

混凝土板设计厚度为70 cm，C40混凝土，抗渗等级≥P8，主筋采用HRB400螺纹钢筋，内设置HN500x200 mm工字钢，间距为50 cm。为增加其整体性，型钢间设置横隔板，表层设置防裂钢筋网。为控制温度、不均匀沉降等产生的次内力影响，板梁分段长度按20 m设置，并在节间设置沉降缝。

对异形板结构进行有限元分析计算，采用MIDAS civl软件进行空间分析。

计算模型：桩板固结的三边支撑异形板结构；

荷载等级：城-A级；

计算参数：混凝土自重26 kN/m3，沥青混凝土铺装23 kN/m3，防撞墙10 kN/m，升温25 ℃、降温-20 ℃，收缩徐变3 650 d。

根据MIDAS civl计算分析，板单元位移计算结果如图3、图4所示，板单元弯矩计算结果如图5所示。

图3 板单元计算位移云图(自重)

图4 板单元计算位移云图(荷载短期效应组合)

图5 板单元计算弯矩云图

根据计算，异形悬臂板结构在自重作用下竖向位移为-3.6 mm；考虑荷载短期效应及长期效应的影响，板单元的最大竖向位移为-7.2 mm，满足城市快速路路基容许工后沉降≤0.3 m的要求。

极限状态下，每延米板单元结构最大弯矩为1 850 kN·m；最小为-1 679 kN·m。

变形及结构强度均满足规范要求。

5.2 支撑桩设计

常规的板桩结构为混凝土板下均布基桩，本工程行车道平面投影占压承台面积较大，在保证与高铁基桩4倍桩径净距的前提下，无法实现基桩均布。因此，采用围绕高铁承台设置联排支撑桩的方案，通过联排支撑桩的整体受力满足基底承载力要求。

桩基直径为70 cm，间距为100 cm，桩顶设置高70 cm顶圈梁，桩板固结。由于桩周大部分位于既有高铁承台的回填土内，其物理力学条件较差。为提高桩基承载力，减少差异沉降，设计采用后注浆技术。每根桩基均进行桩端注浆[6]，声测管兼作注浆管，注浆的浆液由水、水泥、膨润土、缓凝剂(试配)等组成，级配材料的选择、比例等通过级配试验确定。φ70 cm桩基后注浆水泥浆用量设计参考值为1.0 t，注浆压力为2～4 MPa。

为尽量减少支撑桩施工对既有高铁桥梁的影响，采用挖孔桩并隔孔跳挖施工。防护结构立面示意如图6所示。

图6 防护结构立面示意(单位：cm)

5.3 基底加固设计

为满足加宽路基处基底承载力要求及减少新老路基间的不均匀沉降，对新建路基采用静力压实及树根桩法加固[4-5](桩径0.3 m，间距1 m，长5 m)，复合地基承载力为150 kPa。同时，桩顶设置30 cm碎石褥垫层。树根桩成孔采用天然泥浆护壁，遇粉细砂层易塌孔时加设套管，灌注时，采用间隔施工、间歇施工或添加速凝剂等措施，以防止相邻桩孔移位和窜孔。

5.4 施工难点应对措施

工程位置处高铁桥梁墩柱密集，根据现场条件及异形板结构设计情况，需采用现浇法施工，而板的平面投影大面积占压高铁承台。常规支架现浇法需在承台上搭设支架、立模、浇筑，板恒载及施工荷载皆传递到承台上，对既有高铁桥梁的安全造成较大影响。如何避免施工荷载及机具影响既有高铁桥梁结构，成为本方案的关键。

为避免在承台上搭设支架，将板设计为型钢骨架板梁，即先在支撑桩顶圈梁上架设型钢骨架，作为板梁的永久受力结构，同时，将板的现浇模板吊在型钢骨架上并进行吊模浇筑施工，有效地避免了恒载及施工荷载对既有高铁桥梁结构的影响。

6 对高铁影响分析

桩板防护结构与高铁承台间最小净距为20 cm，市政道路路基结构与既有高铁桥梁结构分离，可确保新建项目的恒载、活载及施工荷载[12]皆不直接作用于既有高铁桥梁结构。但新建支撑桩与既有高铁桥梁桩基距离较近，且支撑桩基本位于填筑土、细砂层，地质条件较差，支撑桩施工将改变既有高铁桩基应力环境，对高铁墩台变形及承载力皆有一定影响[9]。采用MIDAS GTS软件，对板桩结构施工各阶段及道路运营状态下，高铁桥梁的变形及承载力影响进行计算分析[10]。

计算模型：四节点的四面实体单元。

高铁计算参数：荷载标准为ZK-活载[2]；设计速度为350 km/h；轨道类型为无砟轨道；桥梁为(60+80+80+60) m连续梁。

市政道路：荷载标准为城-A级[3]；设计速度为80 km/h。

6.1 高铁墩台变形分析

(1)初始应力场的模拟

考虑不同的土体分层条件和重度，计算初始应力场分布；考虑既有桥墩对初始应力场的影响。

(2)连续介质的模拟

采用“摩尔-库伦(M-C)”土体弹塑性模型，桩基础采用线弹性桩单元模型，同时建立摩擦界面单元，考虑土体和桩结构之间的相互作用[11]。

(3)边界条件的模拟

对计算土体的底面约束竖向z位移，侧面分别约束横向x、纵向y位移，地表为自由面，桩基础约束z方向转角。

(4)施工阶段的模拟

采用MIDAS GTS软件进行模拟分析，高铁桥墩基桩沉降计算结果如图7所示。

图7 高铁桥墩基桩沉降云图

根据计算结果，各阶段墩台竖向位移值汇总见表1。

表1 高铁墩台竖向位移汇总

支撑桩施工引起高铁墩台竖向沉降值为0.42 mm、道路运营阶段引起高铁墩台沉降值为-1.6 mm，各阶段对高铁桥梁墩台沉降影响均小于墩台均匀沉降限值(20 mm)的要求。

相邻墩台沉降差，施工阶段最大为0.06 mm、运营阶段为0.08 mm。满足高铁无砟轨道相邻墩台沉降差限值(5 mm)及高铁线路平顺性要求。

相邻墩台沉降量之差引起超静定连续梁结构产生附加应力亦满足高铁桥梁结构设计要求。

单侧支撑桩施工引起高铁墩台顶横向位移为0.31 mm，横向位移引起桥梁梁端水平折角，经计算满足不大于1.0‰弧度的要求。

6.2 高铁墩台桩基承载力分析

采用MIDAS GTS软件对各施工阶段的高铁桥墩基桩轴力进行分析计算，各施工阶段桩基轴力结果如图8所示。

图8 高铁桩基轴力

根据计算结果，各阶段桩基轴力值汇总见表2。

表2 高铁桩基轴力计算汇总

支撑桩施工阶段及道路运营引起高铁基桩承载力变化，但影响较小，均满足原桥结构单桩容许承载力要求。

6.3 高铁变形监测

通过各施工阶段对铁路桥墩变形监测、验证和校核理论计算结果，判断铁路桥梁的变形情况，对铁路运营安全进行预警。目前，工程已实施完毕，施工各阶段高铁桥梁变形值均未大于沉降控制值(2 mm)及预警值(1 mm)。

[1] 牛召阳.高速铁路并行地段桥梁沉降变形分析[J].铁道勘察，2018(1)：125-128

[2] 国家铁路局.TB 10621—2014 高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2014

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ 129—2009 城市快速路设计规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2009

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[5] 崔晟东.树根桩法在高速公路路基不均匀沉降处治中的应用[J].，交通世界，2013(12)：132-133

[6] 邹勇，杜海强.灌注桩后注浆技术在城市立交工程中的应用[J].铁道标准设计，2014(4)：52-54

[7] 杨斌.板桩结构技术在高铁施工中的实践探究[J].工程与建设与设计，2017(3)：96-97

[8] 李健源.新建高速公路下穿高速铁路桥的桥墩防护设计[J].建筑工程技术与设计，2016(4)：7--9

[9] 杨红春.新建道路下穿高速铁路桥梁对高铁桥墩和桩基影响的分析[J].中国市政工程，2016(2)：7-9

[10] 王景春，刘旭菲，候卫红.新建桥梁对运营高铁基础变位的影响研究[J].铁道工程学报，2017，34(7)：60-65

[11] 孙宗磊，李悄.石济客专桥梁下穿京沪高铁沉降影响分析[J].铁道工程学报，2013，30(2)：53-57

[12] 武林，黄淼.公路下穿高铁需注意的荷载因素及应对措施[J].工程与建设，2014，28(4)：501-503